光敏三极管

二、菲涅尔透镜 使用热释电信息转换器件时， 使用热释电信息转换器件时，一般前面 需安装菲涅尔透镜， 需安装菲涅尔透镜，外来移动的辐射能 量通过菲涅尔透镜断续的聚光于热释电 使热释电输出相应的电信号。同时， 上，使热释电输出相应的电信号。同时， 菲涅尔透镜也能增加热释电的探测距离。 菲涅尔透镜也能增加热释电的探测距离。 每个透镜都有一个不大的视场，而相邻两个透镜的视场不连续， 每个透镜都有一个不大的视场，而相邻两个透镜的视场不连续，也 不重叠，彼此相隔一个微小的盲区。 不重叠，彼此相隔一个微小的盲区。一种典型的菲涅尔透镜外形如 图所示。 图所示。 视场角度范围如图所示。 视场角度范围如图所示。当辐射物在菲涅尔透镜的视场范围内运动 依次地进入某一单元透镜的视场，又离开这一视场， 时，依次地进入某一单元透镜的视场，又离开这一视场，热释电对 运动的辐射一会儿敏感，一会儿又不敏感，这样不断重复， 运动的辐射一会儿敏感，一会儿又不敏感，这样不断重复，于是运 动的辐射不断的改变热释电表面的温度， 动的辐射不断的改变热释电表面的温度，热释电输出一个又一个对 应的信号。不加菲涅尔透镜时，热释电的探测距离为2米左右， 应的信号。不加菲涅尔透镜时，热释电的探测距离为2米左右，加 上菲涅尔透镜后，探测距离可达10米以上。 10米以上 上菲涅尔透镜后，探测距离可达10米以上。
I c = βI Φ
β为三极管的电流放大极管的电流放大作用可从图(c)说明， 光敏三极管的电流放大作用可从图(c)说明，它与普通三极管在偏 (c)说明 流电路中接一个光敏三极管的作用是完全相同的， 流电路中接一个光敏三极管的作用是完全相同的，只是用由 I b 替代了 I Φ 。 光敏三极管的灵敏度比光敏二极管高，是光敏二极管的数十倍， 光敏三极管的灵敏度比光敏二极管高， 是光敏二极管的数十倍 ， 故输出电流要比光敏二极管大得多，一般为毫安级 毫安级。 故输出电流要比光敏二极管大得多 ， 一般为 毫安级 。但其他特性 不如光敏二极管好，在较强的光照下， 不如光敏二极管好， 在较强的光照下， 光电流与照度不成线性关 频率特性和温度特性也变差， 系 。 频率特性和温度特性也变差 ， 故光敏三极管多用作光电开关 或光电逻辑元件。 或光电逻辑元件。 光敏三极管的输出电路如图(a)所示， 光敏三极管的输出电路如图(a)所示，基本上与光敏二极管输出 (a)所示 电路相同，输出电压的计算也同光敏二极管相同，只是灵敏度S 电路相同，输出电压的计算也同光敏二极管相同，只是灵敏度S 要比光敏二极管的灵敏度大些。 要比光敏二极管的灵敏度大些。 注意，光敏三极管的输出脚同光敏二极管相同， 注意，光敏三极管的输出脚同光敏二极管相同，是二只而不 是三只。 是三只。
二、光电达林顿管 为了得到更高的灵敏度和更大的输出电流， 为了得到更高的灵敏度和更大的输出电流，把光敏三 极管和普通三极管按达林顿联接方法接在一起 方法接在一起， 极管和普通三极管按达林顿联接方法接在一起，封装 在一个管壳内，称为光电达林顿管 如图所示。 光电达林顿管， 在一个管壳内，称为光电达林顿管，如图所示。 三、光电场效应管 将场效应管的栅级与沟道之间的PN 将场效应管的栅级与沟道之间的PN 结做成光电结，当有光照时，PN结 结做成光电结，当有光照时，PN结 产生光电流 I P ，相当于场效应管 的 I G ，去控制 I D ，从而达到 光通量控制场效应管输出电流的目 的。光电场效应管的电路图如所示。 光电场效应管的电路图如所示。 场效应管的电路图如所示
R2 为热释电的负载(RL) (RL)。 耦合到A1 A1上 为热释电的负载(RL)。来自热释电的信号经 C2 耦合到A1上。
运放A1组成第一级滤波放大电路， 运放A1组成第一级滤波放大电路，它是一个低频放大倍数约为 A1组成第一级滤波放大电路 AFl＝R6／R4＝27 的低通滤波器，其截止频率为 的低通滤波器， ＝ ／ ＝
A放大的信 图中， 为退耦电路； 为偏置电路。 图中， R 1 , C 1为退耦电路； R3 , R5 为偏置电路。经 1 放大器。 号经过 C 5 电容耦合后输入 A 2 , A 放大器。在静态时输出约为 2 5V(DC)； 为退耦电容。 4．5V(DC)；C3 ,C9 为退耦电容。
比较器电路： 比较器电路： 使比较器同相端电压在2 4V左右变化 左右变化。 调节 RP ，使比较器同相端电压在2．5～4V左右变化。在无报警信 号输入时，比较器反相端电压大于同相端，比较器输出为低电平。 号输入时，比较器反相端电压大于同相端，比较器输出为低电平。 当有人入侵时，比较器翻转输出为高电平，LED亮 当人体运动时， 当有人入侵时，比较器翻转输出为高电平，LED亮，当人体运动时， 则输出一串脉冲。 则输出一串脉冲。 驱动电路： 555I和 组成驱动电路。 驱动电路：VT1 、555I和 VT2 组成驱动电路。当A端输入一个脉冲 少量充电，若没有再来脉冲， 放电； 时，将 C 12少量充电，若没有再来脉冲，则 C 12将通过 R 17 放电； 若有人在报警区内移动，则会产生一系列脉冲， 不断充电， 若有人在报警区内移动，则会产生一系列脉冲，使 C 12 不断充电， 当达到一定电压时， 导通而输出低电平。 当达到一定电压时，使 VT1 导通而输出低电平。这个低电平输入到 555I组成的单稳态电路的 组成的单稳态电路的2 555I触发 触发， 脚输出高电平， 由555I组成的单稳态电路的2脚，使555I触发，3脚输出高电平，从 而使VT2导通，使继电器吸合，从而控制报警器。 VT2导通 而使VT2导通，使继电器吸合，从而控制报警器。单稳态的暂态时 决定， 可改变报警的时间。 间由 R19 及 C13 决定，调节 R19 可改变报警的时间。
二、热释电的构成及特性 热释电外形如图l所示。 热释电外形如图l所示。其内部结构如 所示。实用的热释电由敏感元件、 图2所示。实用的热释电由敏感元件、 场效应管、高阻电阻、滤光片等组成， 场效应管、高阻电阻、滤光片等组成， 并向壳内充入氮气封装起来。 并向壳内充入氮气封装起来。敏感元件 用红外热释电材料制成很小的薄片， 用红外热释电材料制成很小的薄片，再 在薄片两面镀上电极。热释电材料以压 在薄片两面镀上电极。 电陶瓷和陶瓷氧化物最多， 电陶瓷和陶瓷氧化物最多，钽酸锂 (LiTa03)，硫酸三甘肽(LATGS) (LATGS)及钛锆 (LiTa03)，硫酸三甘肽(LATGS)及钛锆 酸铅(PZT)制成的热释电目前用得极广， (PZT)制成的热释电目前用得极广 酸铅(PZT)制成的热释电目前用得极广， 近年来开发的具有热释电性能的高分子 薄膜聚偏二氟乙烯(PVF2) (PVF2)， 薄膜聚偏二氟乙烯(PVF2)，也已用于红 外成像器件和火灾报警器。 外成像器件和火灾报警器。 由于热释电的输出阻抗很高，可达10以上， 10以上 由于热释电的输出阻抗很高，可达10以上，其输出电压信号又非常 微弱，故需要进行阻抗变换和信号放大 行阻抗变换和信号放大。 微弱，故需要进行阻抗变换和信号放大。
热释电输出电路如图所示场效应管 热释电输出电路如图所示场效应管 FET用来构成源极跟随器 高阻值Rg 用来构成源极跟随器， FET用来构成源极跟随器，高阻值Rg 的作用是释放栅级电荷， 的作用是释放栅级电荷，使场效应 管安全正常工作，FET和Rg一般与热 管安全正常工作，FET和Rg一般与热 放栅级电荷， 放栅级电荷，使场效应管安全正常 工作，FET和Rg一般与热释电做成一 工作，FET和Rg一般与热释电做成一 是负载电阻，需外接。 体， RL 是负载电阻，需外接。V o 为输出电压，后接放大器。 为输出电压，后接放大器。 一般热释电在0． ～ μ 光谱范围内的灵敏度是非常平坦的 光谱范围内的灵敏度是非常平坦的， 一般热释电在 ．2～20μm光谱范围内的灵敏度是非常平坦的，由 于不同检测需要，采用不同材料的滤光片作为窗口， 于不同检测需要，采用不同材料的滤光片作为窗口，如用于人体探 测和防盗报警的热释电，由于人体辐射在9.4μ 处最强 处最强， 测和防盗报警的热释电，由于人体辐射在 μm处最强，故红外滤 光片选取7.5—14μm波段。 波段。 光片选取 μ 波段
f 01 = 1 / 2π R 6 C 4 = 1 . 25 Hz
A2也是一个低通放大器，其低频放大倍数约为 也是一个低通放大器， 也是一个低通放大器
A F 2 = R 10 / R 7 = 150
截止频率为 f 02 = 1 / 2 π R 10 C
8
= 0 . 23 Hz
经过两级放大后，0.2Hz左右的信号被放大到4000倍以上。 经过两级放大后，0.2Hz左右的信号被放大到4000倍以上。 左右的信号被放大到4000倍以上
§3．1．6 热释电 ． ． 一、热释电效应 在某些电解质晶体中，不加外电场就存在电极化现象， 在某些电解质晶体中，不加外电场就存在电极化现象，且具有一 定的极化强度，这种极化强度称为自发极化强度 Ps为自发极化强 自发极化强度， 定的极化强度，这种极化强度称为自发极化强度，Ps为自发极化强 度方向。具有自发极化的晶体，由于在晶体发生温度变化时， 度方向。具有自发极化的晶体，由于在晶体发生温度变化时，就会 产生热释电效应，因而称为热释电晶体 热释电晶体。 产生热释电效应，因而称为热释电晶体。 如果热释电晶体中的Ps按同一方向排列 则沿垂直于Ps方向将晶体 按同一方向排列， 如果热释电晶体中的 按同一方向排列，则沿垂直于 方向将晶体 切成薄片，并在两表面淀积金属电极时，随着薄片温度的变化， 切成薄片，并在两表面淀积金属电极时，随着薄片温度的变化，两 电极间就会出现一个与温度变化速率成正比的电压 U s 。 U s = A e α dT / dt A e 为晶体面积，α是与晶体材料有关的常数。若在两电极间接上 为晶体面积， 是与晶体材料有关的常数。 负载Z 则负载中就有热释电电流通过 其大小为： 中就有热释电电流通过， 负载Z，则负载中就有热释电电流通过，其大小为： I s = A e α / Z • dT / dt = A e ρ • dT / dt ρ = α / Z 为热释电系数。 为热释电系数。 只与热释电材料的温度变化率有关，与温度本身无关。 只与热释电材料的温度变化率有关，与温度本身无关。适用于对 Is 人体和运动目标的检测与跟踪，对温度变化率进行测量，对静物， 人体和运动目标的检测与跟踪，对温度变化率进行测量，对静物， 需要对入射辐射进行调制后才能检测，调制频率一般不高于100Hz 100Hz。 需要对入射辐射进行调制后才能检测，调制频率一般不高于100Hz。
§3．1．5
光敏三极管
一、原理与结构 光敏三极管与普通的晶体三极管类似，也有电流放大作用， 光敏三极管与普通的晶体三极管类似，也有电流放大作用，只是 它的集电极电流不受基极电流控制，而是受光通量的控制。所以， 它的集电极电流不受基极电流控制，而是受光通量的控制。所以， 光敏三极管的外形由光窗、集电极和发射极的引出脚等组成， 光敏三极管的外形由光窗、集电极和发射极的引出脚等组成，制 作材料多为半导体硅。 作材料多为半导体硅。 光敏三极管的原理结构如图(a)所示 正常运行时，集电极为反偏置， 所示。 光敏三极管的原理结构如图 所示。正常运行时，集电极为反偏置， 发射极为正偏置。集电极为光电结， 发射极为正偏置。集电极为光电结，集电极产生的光电流 I Φ 向基 区注入， 区注入，同时在集电极产生一个被放大的电流 I c 。 显然
四、热释电的应用 热释电信息转换器件应用：防盗报警和安全报警装置( 热释电信息转换器件应用：防盗报警和安全报警装置(防止人们误 应用 人危险区) 自动门、自动照明装置、火灾报警等。 人危险区)、自动门、自动照明装置、火灾报警等。 1．热释电防盗报警器 ． 热释电防盗报警器的 电路框图如图 电子线路图如图所示 检测放大电路： 检测放大电路：检测放大电路由热释电 信息转换器及滤波放大器A1 A2等组成 A1、 等组成。 信息转换器及滤波放大器A1、A2等组成。